專利名稱：一種分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能光伏光熱利用設(shè)備，特別涉及一種新型太陽能光伏光熱系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自從1978年Kern和Russell首次提出使用水或空氣作為載熱介質(zhì)的光伏光熱 一體化(PV/T)系統(tǒng)的主要概念后，世界上已有許多研究者對PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析。 Bergene和Lcwik (1995)的理論研究指出PV/T系統(tǒng)的光電光熱總效率可以達(dá)到60_80%。 Huang等人(2001)提出采用光電光熱綜合性能效率作為PV/T系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)；并使 用由聚碳酸酯構(gòu)成的集熱板和多晶硅光伏電池制成PV/T收集器，由其組成的PV/T熱水 系統(tǒng)日平均熱效率可以達(dá)到38%，光電光熱綜合性能效率可以達(dá)到60%左右。Bjcmar和 Rekstad (2002)的PV/T系統(tǒng)，將單晶硅光伏電池粘貼在由PPO材料(polypde — nylenoxid) 制成的扁盒式太陽能集熱板上，表面覆蓋玻璃蓋板，并在較低水溫下對幾種T、PV/T、PV/Tg 進(jìn)行了實驗研究。Hisashi Saitoh等人(2003)將單晶硅光伏電池粘貼在鋁板上，鋁板背 面附有銅管，制成PV/T收集器，并用鹽水作為載熱介質(zhì)，測試了系統(tǒng)的性能。Zakharchenko 等人(2004)使用Powernat太陽能集熱器，表面覆蓋黑色的PVC吸熱板，并與不同的光伏電 池粘結(jié)，制成PV/T收集器，同時分析并提出了光伏電池組件面積遠(yuǎn)小于集熱板面積、且電 池布置于吸熱板冷水進(jìn)口處，可以得到對電池更好的冷卻效果和更高的熱效率。第一代PV/T液體和空氣集熱器是由ARCO Solar和Spectrolab制造的，如圖1和 圖2所示。PV/T液體集熱器為一個改造的單層玻璃蓋板太陽集熱器，太陽電池取代了普通 集熱器的吸熱板，銅管液體流道與太陽電池用鋁護(hù)圈連接。PV/T空氣集熱器采用雙層玻璃 蓋板空氣集熱器的基本形式，太陽電池粘貼在內(nèi)層玻璃下方，黑色鋁吸熱板置于空氣流道 底部，吸收從電池間隙穿過的太陽輻射。在電池不輸出電的情況下，PV/T空氣和液體集熱 器最大的熱效率分別為40. 4 %和45. 2 % ；當(dāng)電池在最大功率點操作時，PV/T空氣和液體 集熱器的熱效率分別為32. 9 %和40. 0 %，電池的最大效率分別為6. 7%和6. 8%。第一代 PV/T集熱器的最大熱效率大大低于設(shè)計良好的普通太陽集熱器(60% 70%)，應(yīng)用上不具 備競爭力。MIT Lincoln實驗室和Brown大學(xué)分別提出了 II代PV/T液體集熱器和空氣集 熱器的設(shè)計概念。改進(jìn)后的PV/T液體集熱器模擬熱效率為55%，電池效率為11%。荷蘭ECN和EUT進(jìn)行了三代PV/T集熱器原型設(shè)計，第三代產(chǎn)品已用于RES示范工 程。最初的原型設(shè)計如圖3所示，這是一個管板式結(jié)構(gòu)的水冷PV/T集熱器，液體流道為蛇 形銅管，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池封裝組件用導(dǎo)熱性能良好的膠粘在吸熱板表面，但在膠粘時由手工 制作產(chǎn)生的大量氣泡降低了膠粘劑的導(dǎo)熱性能。II代原型設(shè)計的目標(biāo)在于提高PV/T集熱 器對太陽光譜的吸收率，仍然將太陽電池封裝組件與吸熱板用膠粘的方法連接，但太陽電 池改用絨面表面，封裝組件用黑色背膜替代白色背膜，實驗表明這一改進(jìn)取得了良好的效 果。第三代原型設(shè)計改變了太陽電池與吸熱板的連接方式，將以前膠粘的方法改換為層壓 方法，目的是為了避免在PV/T集熱器中增加額外的膠粘界面，因此該方法可以增加電池與吸熱板間的傳熱性能。比較上述三種PV/T集熱器的熱效率和電效率，三者電效率基本一 致，但熱效率不同，其中II代原型設(shè)計具有最高的熱效率67%，其次為第三代原型設(shè)計，其熱 效率為64%，而最初原型設(shè)計的熱效率為54%。目前，國內(nèi)市面上常見的PV/T系統(tǒng)，都是將吸熱板與太陽能光伏板復(fù)合成一體， 置于平板集熱器中，兩者同時，同地點的工作，這樣可以節(jié)省一定的空間，但這樣的方法也 存在一定的問題PV/T系統(tǒng)在工作時，平板集熱器會吸收大量的熱來保證系統(tǒng)的產(chǎn)熱效 率，但高溫會降低復(fù)合在吸熱板上的光伏太陽能電池板的發(fā)電效率(通常太陽能電池板的 效率與它板面溫度成反比)。所以，目前常規(guī)的PV/T系統(tǒng)的太陽能綜合利用率不高，必須犧 牲一方的效率來保證另一方的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對目前常規(guī)的光伏光熱系統(tǒng)的太陽能綜合利用率不高的問題，提出了 一種分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)，將太陽能電池板與吸熱板分離，并將太陽能電池板外移 出平板集熱器，布置在集熱器入水管口前端，這樣太陽能電池板獨立工作，它產(chǎn)生出來的熱 量由循環(huán)工質(zhì)(水或空氣)帶入下級的集熱器，這樣不僅降低了太陽能光伏電池的板面溫 度，提高了光伏發(fā)電側(cè)的效率，而且也提高了集熱器入口工質(zhì)的初溫，從而也提高了集熱器 的產(chǎn)熱效率，是一舉兩得，從兩個方面提高綜合效率。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)，包括金屬邊框、蓋板、太 陽能電池板、吸熱板、冷卻水管路，太陽能電池板和吸熱板的邊緣、背部有保溫層，所述太陽 能電池板、吸熱板獨立分開，太陽能電池板布置在吸熱板入水管口前端，太陽能電池板、吸 熱板之間僅通過布置在兩系統(tǒng)中的冷卻水管路相連接，太陽能電池板冷卻水管路出口接吸 熱板入口，太陽能電池板和吸熱板的冷水管路中間串聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換閥門，太陽能電池板冷卻 水管路出口和吸熱板入口分別接一個輔助閥門。所述冷卻水管路中冷卻水流量在10L/h到30L/h之間。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)，不僅提高電池板的 發(fā)電效率，也可以增強集熱器的產(chǎn)熱性能，從而提高太陽能綜合利用率，并且該系統(tǒng)利用清 潔能源，零排放，零污染，是一種對環(huán)境好的能源利用裝置。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)I代PV/T集熱器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)II代PV/T集熱器結(jié)構(gòu)示意圖3為現(xiàn)有技術(shù)第三代PV/T集熱器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)控制閥門原理圖； 圖6為本發(fā)明分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)發(fā)電功率隨流量變化曲線。
具體實施例方式經(jīng)研究數(shù)據(jù)表明，單體太陽能電池的開路電壓隨溫度的升高而降低，電壓溫度系 數(shù)為(2. 0 2. 2)mv/°C，即溫度每升高1°C，單體太陽能電池開路電壓降低2. 0 2. 2mv ；太
4陽能電池短路電流隨溫度的升高而升高；太陽能電池的峰值功率隨溫度的升高而降低(直 接影響到效率)，即溫度每升高1°C，太陽能電池的峰值功率損失率約為0. 35 0. 45%。所 以在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PV/T系統(tǒng)中，隨著集熱器產(chǎn)熱品質(zhì)要求的提高，集熱器內(nèi)溫度不斷上升， 這會使得復(fù)合在吸熱板上的太陽能電池板發(fā)電效率下降，若想使電池板發(fā)電效率升高，則 必須犧牲集熱器產(chǎn)熱性能。如何達(dá)到兩者兼顧是本發(fā)明的目的所在。與傳統(tǒng)光伏光熱(PV/T)系統(tǒng)集熱器一樣，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括蓋 板、太陽能電池板1、吸熱板3、冷卻水管路4、邊緣和背部保溫層2、金屬邊框。但與傳統(tǒng)光 伏光熱(PV/T)系統(tǒng)集熱器不同的是，此系統(tǒng)采用的是分級式PV/T系統(tǒng)。這里太陽能電池 板1與集熱器吸熱板3不再復(fù)合為一體，而采用分級的形式，即太陽能光伏光熱(PV/T)系 統(tǒng)分為兩級，I為太陽能光伏系統(tǒng)，II為太陽能光熱系統(tǒng)，這兩級之間在空間上不直接進(jìn)行 熱交換，只是通過布置在兩系統(tǒng)中的冷卻水管路4相連接。對于I級的太陽能電池系統(tǒng)來說，采用單晶硅太陽能電池板，通常其光電轉(zhuǎn)換率 為15%至17%，其余的太陽能輻射會轉(zhuǎn)化成熱量，而太陽能電池板1的效率會隨板面溫度的 上升而降低，這就會使太陽能板進(jìn)入一個惡性循環(huán)當(dāng)中；對于II級的太陽能光熱系統(tǒng)，主要 是通過吸熱板吸收太陽能輻射熱量，再將熱量傳給冷卻工質(zhì)，從而達(dá)到加熱工質(zhì)的目的，當(dāng) 工質(zhì)的入口溫度提高時，這對整個系統(tǒng)的產(chǎn)熱效率以及產(chǎn)出的熱水品質(zhì)都會有所提高。所以在整個系統(tǒng)中，先將冷卻水通過I級，將太陽能電池板板面熱量帶走，這樣可 以提高太陽能光伏發(fā)電的效率，升溫后的冷卻水再通過II級來吸收太陽能集熱器內(nèi)熱量， 由于入口介質(zhì)溫度的提高，這又使得太陽能平板集熱器的集熱效率也有所提高，這樣整個 PV/T系統(tǒng)的總體太陽能利用效率也將會提升。此功能就需要靠系統(tǒng)轉(zhuǎn)換閥門控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。它位于I級與II級系統(tǒng)之間，通 過控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換閥門，可以控制兩級系統(tǒng)的鏈接和斷開，從而可以進(jìn)行單獨的光伏發(fā)電實 驗，單獨的光熱試驗，以及光伏光熱一體化實驗。整個系統(tǒng)的閥門如圖5所示。將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換閥門5關(guān)閉，輔助閥門6打開時，則I級系統(tǒng)與II級系統(tǒng)相互獨立，此 時，可以分別對I級系統(tǒng)(光電系統(tǒng))和II級系統(tǒng)(光熱系統(tǒng))進(jìn)行試驗，并得出數(shù)據(jù)進(jìn)行對 比；將系統(tǒng)裝換閥門5打開，輔助閥門6關(guān)閉，則I系統(tǒng)與II系統(tǒng)相互連接成一個系統(tǒng)，這時 冷卻水或空氣從I級系統(tǒng)入口進(jìn)入，帶走I級系統(tǒng)中太陽能電池板板面的熱量，并進(jìn)入到 II級系統(tǒng)中，繼續(xù)吸收熱量，使系統(tǒng)產(chǎn)生用戶所需要的熱水或熱空氣。本專利已在實驗室里完成了各項性能測試，圖6為系統(tǒng)在輸出功為800W的太陽光 模擬器下測得的系統(tǒng)發(fā)電效率隨冷卻水流量的變化曲線。從圖6中可以看到太陽能電池板發(fā)電功率隨冷卻水流量的增加先下降后升高。分 析數(shù)據(jù)可得，這是因為當(dāng)電池板剛開始工作時，板面溫度不高，電池板板面光電轉(zhuǎn)換效率較 高，但隨著工作時間的增加，板面積聚的熱量越來越多，而此時電池板背面的冷卻水流量較 小，不能很好的將電池板板面熱量傳遞出，這就使得太陽能電池板發(fā)電功率在這一階段內(nèi) 呈下降趨勢；當(dāng)電池板背面冷卻水流量增大到ΙΟΗ/h左右時，電池板發(fā)電功率開始隨冷卻 水流量的增加而上升，當(dāng)流量到達(dá)30L/h左右時，電池板發(fā)電功率的曲線趨于平穩(wěn)。由此可 見，冷卻水流量在10L/h到30L/h之間時，冷卻水冷卻電池板效果較好，使得電池板板面溫 度有所控制，從而使太陽能電池板發(fā)電功率逐步上升，當(dāng)冷卻水流量超過30L/h后，太陽能 電池板發(fā)電功率隨流量變化甚微，故可以推斷，冷卻水流量為30L/h是冷卻水最佳流量值。
當(dāng)今社會傳統(tǒng)能源日益枯竭，新能源的開發(fā)與利用正被世界各國科學(xué)家們所倡 導(dǎo)，尤其是太陽能的利用更是發(fā)展了多年，無論從理論上，還是實際的利用上，太陽能利用 技術(shù)都較為成熟。我國是一個太陽能分布廣，資源豐富的國家，太陽能利用的前景不可估量。但太陽能光伏光電的綜合利用效率一直不是很高，而且地域適用性有限，本專利 對以上幾個傳統(tǒng)PV/T系統(tǒng)的不足之處有相應(yīng)的改進(jìn)，使得系統(tǒng)發(fā)電效率，產(chǎn)熱性能都大幅 提高，而且加工工藝較傳統(tǒng)復(fù)合型系統(tǒng)簡單，有利于生產(chǎn)，其經(jīng)濟(jì)性無可限量。
權(quán)利要求
一種分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)，包括金屬邊框、蓋板、太陽能電池板、吸熱板、冷卻水管路，太陽能電池板和吸熱板的邊緣、背部有保溫層，其特征在于，所述太陽能電池板、吸熱板獨立分開，太陽能電池板布置在吸熱板入水管口前端，太陽能電池板、吸熱板之間僅通過布置在兩系統(tǒng)中的冷卻水管路相連接，太陽能電池板冷卻水管路出口接吸熱板入口，太陽能電池板和吸熱板的冷水管路中間串聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換閥門，太陽能電池板冷卻水管路出口和吸熱板入口分別接一個輔助閥門。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻水管路中 冷卻水流量在10L/h到30L/h之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分級式太陽能光伏光熱系統(tǒng)，將太陽能電池板與吸熱板分離，布置在集熱器入水管口前端，太陽能電池板與吸熱板僅靠冷卻水管路相連接，這樣太陽能電池板獨立工作，它產(chǎn)生出來的熱量由循環(huán)工質(zhì)(水或空氣)帶入下級的集熱器，這樣不僅降低了太陽能光伏電池的板面溫度，提高了光伏發(fā)電側(cè)的效率，而且也提高了集熱器入口工質(zhì)的初溫，從而也提高了集熱器的產(chǎn)熱效率，不僅提高電池板的發(fā)電效率，也可以增強集熱器的產(chǎn)熱性能，從而提高太陽能綜合利用率，并且該系統(tǒng)利用清潔能源，零排放，零污染，是一種對環(huán)境好的能源利用裝置。
文檔編號H02N6/00GK101951194SQ201010289959
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者任建興, 吳江, 徐文超, 朱群志, 欒中凱, 潘衛(wèi)國, 鄧波 申請人:上海電力學(xué)院